GTI-Grundlagen der technischen Informatik

Die kleinste Informationseinheit in einem Computer ist ein Bit (=Binary Digit). Ein Bit hat einen einzelnen Binärwert, entweder 0 oder 1.

Das Byte (8 Bit) ist die kleinste adressierbare Speichereinheit in den meisten modernen Computern. Ein Computer mit byteadressierbarem Speicher kann keine einzelnen Daten speichern, die kleiner als ein Byte sind.

Eine Seite, Speicherseite oder virtuelle Seite ist ein zusammenhängender Block des virtuellen Speichers mit fester Länge, der durch einen einzelnen Eintrag in der Seitentabelle beschrieben wird. Es ist die kleinste Dateneinheit für die Speicherverwaltung in einem Betriebssystem mit virtuellem Speicher. Die Page-Grösse wird normalerweise von der Prozessorarchitektur bestimmt. Traditionell haben Pagen in einem System eine einheitliche Größe, z. B. 4.096 Byte.

Die Hauptvorteile des virtuellen Speichers sind:

- Anwendungen müssen keinen gemeinsam genutzten Speicherplatz mehr verwalten.

- die Sicherheit wird aufgrund der Speicherisolation erhöht

- mithilfe der Paging-Technik kann konzeptionell mehr Speicher verwendet werden, als physisch verfügbar ist.

- Der Programmer sieht nur einen logischen Adressraum. Das vereinfacht das Programmieren, da der Programmierer kann davon ausgehen, dass die Speicheradresse bei 0 anfängt.

Die Nachteile sind:

- Es steht weniger Festplatte zur Verfügung, da ein Teil davon wird vom Betriebssystem als «Paging Area» beansprucht.

- Das Ein- und Auslagern von Seiten ist zeitaufwändig und reduzier der Performance eines Rechners.

Der virtuelle Speicher verwendet Hardware und Software, damit ein Computer physische Speichermängel ausgleichen kann, indem Daten vorübergehend vom Arbeitsspeicher (RAM) zum Festplattenspeicher übertragen werden. Im Wesentlichen ermöglicht der virtuelle Speicher einem Computer, den sekundären Speicher so zu behandeln, als wäre er der Hauptspeicher

Embedded Systeme und andere spezielle Computersysteme (Echtzeitsysteme), die sehr schnelle und / oder sehr konsistente Antwortzeiten erfordern, entscheiden sich möglicherweise aufgrund des verringerten Determinismus dafür, keinen virtuellen Speicher zu verwenden. Virtuelle Speichersysteme lösen unvorhersehbare Traps aus, die unerwünschte und unvorhersehbare Verzögerungen als Reaktion auf Eingaben verursachen können, insbesondere wenn der Trap erfordert, dass Daten aus dem Sekundärspeicher in den Hauptspeicher eingelesen werden. Die Hardware zum Übersetzen virtueller Adressen in physische Adressen erfordert normalerweise einen erheblichen Chipbereich, und nicht alle in eingebetteten Systemen verwendeten Chips enthalten diese Hardware. Dies ist ein weiterer Grund, warum einige dieser Systeme keinen virtuellen Speicher verwenden.

Eine Seitentabelle ist die Datenstruktur, die von einem virtuellen Speichersystem in einem Computerbetriebssystem zum Speichern der Zuordnung zwischen virtuellen Adressen und physischen Adressen verwendet wird. Die Seitentabelle ist eine Schlüsselkomponente der virtuellen Adressumsetzung, die für den Zugriff auf Daten im Speicher erforderlich ist. Eine Seitentabelle wird im Kernel Speicher im Hauptspeicher abgelegt. 

Ein Speichermanager ist ein Software-Dienstprogramm, das in Verbindung mit dem Betriebssystem ausgeführt wird. Es hilft dabei, den Speicher effizienter zu verwalten, und bietet zusätzliche Funktionen wie das Löschen nicht verwendeter Speichersegmente. Alle modernen Betriebssysteme bieten Speicherverwaltung. Ein Seitenfehler ist ein Software Interrupt, die vorkommt, wenn eine Seite adressiert wird, welche sich nicht im Hauptspeicher befindet. Dann wird die Seite aus dem Paging Area auf der Festplatte in Hauptspeicher geholt. Damit es Platz hat für die Seite, muss eventuell eine Seite im Hauptspeicher ausgelagert werden. Diese Aufgabe übernimmt der Speichermanager.

http://www.inf.ed.ac.uk/teaching/courses/os/slides/12-pagetable.pdf

Eine Seitentabelle ist die Datenstruktur, die von einem virtuellen Speichersystem in einem Computerbetriebssystem zum Speichern der Zuordnung zwischen virtuellen Adressen und physischen Adressen verwendet wird. Virtuelle Adressen werden von dem Programm verwendet, das vom Zugriffsprozess ausgeführt wird, während physische Adressen von der Hardware oder insbesondere vom RAM-Subsystem verwendet werden. Die Seitentabelle ist eine Schlüsselkomponente der virtuellen Adressumsetzung, die für den Zugriff auf Daten im Speicher erforderlich ist.

Abbildung 1 zeigt wie die Adressierung eines virtuellen Speichersystem mit einer einstufige Seitentabelle funktioniert.

(1) Der CPU sendet die virtuelle Adresse an das MMU (Memory Management Unit). Diese Adresse wird dann mit Hilfe der Seitentabelle in einer realen Adresse umgewandelt. Ein Teil der Adresse (in diesem Beispiel die ersten 4 Bits) wird als Seitentabelle-Index interpretiert. Dieser Index zeigt auf einen Eintrag in der Seitentabelle eines Prozesses. Der Inhalt des adressierten Eintrags ist eine Framenummer der Seite, welche sich entweder sich im Hauptspeicher vorhanden ist oder als Folge einen Seitenfehlers in den Hauptspeicher geholt wird. Die restlichen Bits der Virtuelle Adresse werden als «Offset» innerhalb einer Seitenframe interpretiert. Die physische Adresse wird neu aus dem Rahmennummer und des «Offsets» zusammengestellt.

(2) Diese physische Adresse wird dann eingesetzt, um den gewünschten Adresse im Hauptspeicher zu adressieren

Bei grossen Adressräumen sind entsprechend grosse Page Tables zu verwalten. Beispielsweise ergibt sich bei einer 32-Bit-Adresse und einer Page-Grösse von 4KB bereits einen Million Einträge in den Seitentabelle – und dies für jeden einzelnen Prozess, der sich gerade im System befindet! Zudem muss die Adressumsetzung sehr schnell sein und da die meisten Prozesse viel zu gross sind, verschenkt man durch die Verwaltung der Page Tables sehr viel Speicherplatz.

Eine Invertierte Seitentabelle ist eine globale Seitentabelle, die vom Betriebssystem für alle Prozesse verwaltet wird. In der invertierten Seitentabelle entspricht die Anzahl der Einträge der Anzahl der Frames im Hauptspeicher.

Wir können die Details nur für die Seiten speichern, die im Hauptspeicher vorhanden sind. Eine invertierte Seitentabelle wird wie folgt aufgebaut:

• Seitenzahl - Gibt den Seitenzahlbereich der logischen Adresse an.

• Prozess-ID - Eine invertierte Seitentabelle enthält die Adressrauminformationen aller ausgeführten Prozesse. Da zwei verschiedene Prozesse ähnliche virtuelle Adressen haben können, muss in der Tabelle der umgekehrten Seiten eine Prozess-ID jedes Prozesses gespeichert werden, um den Adressraum eindeutig zu identifizieren. Dies erfolgt mithilfe der Kombination aus PId und Seitenzahl. Diese Prozess-ID fungiert also als Adressraum-ID und stellt sicher, dass eine virtuelle Seite für einen bestimmten Prozess korrekt dem entsprechenden physischen Frame zugeordnet wird.

• Steuerbits - Diese Bits werden zum Speichern zusätzlicher Paging-Informationen verwendet. Dazu gehören das gültige Bit, das Dirty-Bit, die Referenzbits, die Schutz- und Sperrinformationsbits. • Verketteter Zeiger - Es kann vorkommen, dass zwei oder mehr Prozesse einen Teil des Hauptspeichers gemeinsam nutzen. In diesem Fall werden zwei oder mehr logische Seiten demselben Seitentabelleneintrag zugeordnet. Anschließend wird ein Verkettungszeiger verwendet, um die Details dieser logischen Seiten der Stammseitentabelle zuzuordnen. Arbeiten - Die Funktionsweise einer invertierten Seitentabelle wird auf dem Bild 1 gezeigt.

Die von der CPU generierte virtuelle Adresse enthält die Felder und jeden Seitentabelleneintrag sowie die anderen relevanten Informationen, die für den PagingMechanismus erforderlich sind. Wenn eine Speicherreferenz stattfindet, wird diese virtuelle Adresse von der Speicherzuordnungseinheit abgeglichen, und die Tabelle der invertierten Seite wird durchsucht, um mit der übereinzustimmen, und die entsprechende Rahmennummer wird erhalten. Wenn die Übereinstimmung am i-ten Eintrag gefunden wird, wird die physikalische Adresse des Prozesses als echte Adresse gesendet. Wenn keine Übereinstimmung gefunden wird, wird ein Segmentierungsfehler generiert.

Arithmetic Logic Unit

Rechenwerk einer CPU

Ein Kompromiss zwischen monolithischen Kernen und minimalen Kernen sind die hybriden Kerne, die auch Makrokernel heißen. Diese enthalten aus Geschwindigkeitsgründen Komponenten, die bei minimalen Kernen außerhalb des Kerns liegen. Esist nicht spezifiziert, welche Komponenten bei Systemen mit hybriden Kernen zusätzlich in den Kernel einkompiliert sind.

In minimalen Betriebssystemkernen, die auch Mikrokern oder Mikrokernel heißen, befinden sich üblicherweise nur die nötigsten Funktionen zur Speicher- und Prozessverwaltung sowie zur Synchronisation und Interprozesskommunikation. Gerätetreiber, Treiber für Dateisysteme und alle weiteren Funktionalitäten laufen als sogenannte Dienste bzw. Server außerhalb des Kerns im Benutzermodus

Ein monolithischer Betriebssystemkern enthält alle Funktionen zur Erbringung der Funktionalitäten eines Betriebssystems

Der Betriebssystemkern (englisch: Kernel) enthält die grundlegenden Funktionen des Betriebssystems. Er ist die Schnittstelle zur Hardware des Computers. Die grundlegenden Funktionalitäten sind bei allen Betriebssystemen gleich. Zu diesen gehört die Bereitstellung von Systemaufrufen, Funktionen zur Benutzerverwaltung und Prozessverwaltung inklusive Festlegung der Ausführungsreihenfolge (englisch: Scheduling) und Interprozesskommunikation, ein Prozessumschalter (englisch: Dispatcher), die nötigen Gerätetreiber, Funktionen zur Speicherverwaltung und Dateisysteme zur Verwaltung von Dateien auf Speicherlaufwerken.

Man unterscheidet derzeit die Dienstmodelle Infrastructure as a Service (IaaS) für die Bereitstellung ganzer Rechnersysteme, Platform as a Service (PaaS) für die Bereitstellung von Entwicklungsumgebungen und Software as a Service (SaaS) für die Bereitstellung von Anwendungssystemen.

Terminalserver bedienen „dumme“ Clientrechner (sog. Thin Clients), wobei die Anwendungsprogramme vollständig in den Servern ablaufen und die Clientrechner nur noch für Zwecke der Präsentation eingesetzt werden. Die Idee hinter Terminaldiensten ist die Zentralisierung von Betriebsmitteln, um die beteiligten Systeme leichter administrieren zu können.

Als Embedded System bezeichnet man ein Rechner- bzw. Steuerungssystem, das in Geräten (Telefone, DVD-Player, Waschmaschinen, Fernseher), Robotern oder Fahrzeugen (Flugzeuge, Autos) eingebaut ist und dort seine Aufgaben meist unsichtbar verrichtet. Embedded Systems kann man weitgehend als geschlossene Systeme betrachten, die eine dedizierte Aufgabe übernehmen. Das Betriebssystem ist klein ausgelegt, da wenige Ressourcen verfügbar sind. Oft verfügen Embedded Systems aufgrund der knappen Ressourcen nicht über ein Betriebssystem. Die Software bedient dann direkt die Hardwareschnittstellen. Embedded Systems (eingebettete Systeme) sind oft auch Echtzeitsysteme.

Die Zuordnung des Prozessors nach Zeitintervallen an die nebenläufigen Programme wird als Timesharing bezeichnet.

 parallel stattfindendes, in zeitlicher Hinsicht auf den Ablauf hin koordiniertes Arbeiten von mehreren Programmen innerhalb eines einzelnen Computers

Die Abhängigkeiten von der Hardware sind in einer Schicht gekapselt, was eine Portierung auf eine andere Hardwareplattform erleichtert.

Ein Transaktionsmonitor ist ein Dienstprogramm, das oberhalb des Kernels angesiedelt ist und Aufgaben wie die Zugangskontrolle, die Verteilung der Anfragen auf bereitgestellte Prozesse und die Optimierung der Zugriffe sowie die Verwaltung der Ressoucen und auch die Zuordnung von Datenbankverbindungen übernimmt. Transaktionsmonitore werden im Teilhaberbetrieb eingesetzt und dienen dem Ablauf von Transaktionsprogrammen. 

Ein Application-Server erfüllt ähnliche Aufgaben wie der Transaktionsmonitor. Anstelle von Transaktionsprogrammen laufen im Application-Server Komponenten verteilter Anwendungen ab.

Im Teilnehmerbetrieb erhält jeder Anwender seinen eigenen Benutzerprozess sowie weitere Betriebsmittel vom Betriebssystem zugeteilt. Der Benutzer meldet sich über einen Login-Dialog beim System an und bekommt die Betriebsmittel dediziert zugeordnet. Im Teilhaberbetrieb werden Prozesse und Betriebsmittel über einen Transaktionsmonitor zugeteilt.